第4章 紫外可見分光光度法

第四章紫外-可見分光光度法第一節(jié)光學分析法概論一、電磁輻射和電磁波譜二、光學分析法及其分類三、光譜法儀器-分光光度計一、電磁輻射和電磁波譜1．電磁輻射（電磁波，光）：以巨大速度通過空間，不需要任何物質作為傳播媒介的一種能量。2．電磁輻射的性質：具有波、粒二向性

波動性：粒子性：高能輻射區(qū)γ射線能量最高，來源于核能級躍遷χ射線來自內(nèi)層電子能級的躍遷光學光譜區(qū)紫外光來自原子和分子外層電子能級的躍遷可見光紅外光來自分子振動和轉動能級的躍遷波譜區(qū)微波來自分子轉動能級及電子自旋能級躍遷無線電波來自原子核自旋能級的躍遷3．電磁波譜：電磁輻射按波長順序排列，稱~。γ射線→X射線→紫外光→可見光→紅外光→微波→無線電波波長長二、光學分析法及其分類（一）光學分析法依據(jù)物質發(fā)射電磁輻射或物質與電磁輻射相互作用而建立起來的各種分析法的統(tǒng)稱。（二）分類：1．光譜法：利用物質與電磁輻射作用時，物質內(nèi)部發(fā)生量子化能級躍遷而產(chǎn)生的吸收、發(fā)射或散射輻射等電磁輻射的強度隨波長變化的定性、定量分析方法。

按能量交換方向分吸收光譜法發(fā)射光譜法按作用結果不同分原子光譜→線狀光譜分子光譜→帶狀光譜2．非光譜法：利用物質與電磁輻射的相互作用測定電磁輻射的反射、折射、干涉、衍射和偏振等基本性質變化的分析方法。分類：折射法、旋光法、比濁法、χ射線衍射法3．光譜法與非光譜法的區(qū)別：光譜法：內(nèi)部能級發(fā)生變化

原子吸收/發(fā)射光譜法：原子外層電子能級躍遷分子吸收/發(fā)射光譜法：分子外層電子能級躍遷非光譜法：內(nèi)部能級不發(fā)生變化僅測定電磁輻射性質改變（三）發(fā)射光譜（四）吸收光譜例：γ-射線；x-射線；熒光例：原子吸收光譜，分子吸收光譜三、光譜法儀器——分光光度計主要特點：五個單元組成光源單色器樣品池檢測器記錄裝置第二節(jié)紫外-可見吸收光譜一、紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生二、紫外-可見吸收光譜的電子躍遷類型三、相關的基本概念四、吸收帶類型和影響因素一、紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生1．分子吸收光譜的產(chǎn)生（由能級間的躍遷引起）能級：電子能級、振動能級、轉動能級躍遷：電子受激發(fā)，從低能級轉移到高能級的過程

若用一連續(xù)的電磁輻射照射樣品分子，將照射前后的光強度變化轉變?yōu)殡娦盘柌⒂涗浵聛?，就可得到光強度變化對波長的關系曲線，即為分子吸收光譜。2．分子吸收光譜的分類：

分子內(nèi)運動涉及三種躍遷能級，所需能量大小順序3．紫外-可見吸收光譜的產(chǎn)生

由于分子吸收紫外-可見光區(qū)的電磁輻射，分子中價電子（或外層電子）的能級躍遷而產(chǎn)生（吸收能量=兩個躍遷能級之差）二、紫外-可見吸收光譜的電子躍遷類型預備知識：價電子：σ電子→飽和的σ鍵

π電子不飽和的π鍵

n電子軌道：電子圍繞原子或分子運動的幾率軌道不同，電子所具有能量不同基態(tài)與激發(fā)態(tài)：電子吸收能量，由基態(tài)→激發(fā)態(tài)c成鍵軌道與反鍵軌道：σ<π<n<π*<σ*圖示b電子躍遷類型：1.σ→σ*躍遷：飽和烴（甲烷，乙烷）E很高，λ<150nm（遠紫外區(qū)）2.n→σ*躍遷：含雜原子飽和基團（-OH，-NH2）E較大，λ150~250nm（真空紫外區(qū)）3.π→π*躍遷：不飽和基團（-C＝C-，-C＝O）E較小，λ~200nm體系共軛，E更小，λ更大4.n→π*躍遷：含雜原子不飽和基團（-C≡N，C＝O）E最小，λ200~400nm（近紫外區(qū)）按能量大?。害摇?>

n→σ*>

π→π*>

n→π*注：紫外光譜電子躍遷類型：n—π*躍遷

π—π*躍遷飽和化合物無紫外吸收電子躍遷類型與分子結構及存在基團有密切聯(lián)系根據(jù)分子結構→推測可能產(chǎn)生的電子躍遷類型；根據(jù)吸收譜帶波長和電子躍遷類型

→推測分子中可能存在的基團（分子結構鑒定）三、相關的基本概念1．吸收光譜（吸收曲線）：不同波長光對樣品作用不同，吸收強度不同以λ~A作圖next2．吸收光譜特征：定性依據(jù)吸收峰→λmax吸收谷→λmin肩峰→λsh末端吸收→飽和σ-σ躍遷產(chǎn)生back3．生色團（發(fā)色團）：能吸收紫外-可見光的基團有機物：具有n電子和π電子的不飽和鍵或基團

產(chǎn)生n→π*和π→π*例：C＝C，C＝O，C＝N，-N＝N-

4．助色團：本身無紫外吸收，但可以使生色團吸收峰加強同時使吸收峰長移的基團有機物：連有雜原子的飽和基團例：-OH，-OR，-NH-，-NR2-，-X注：當出現(xiàn)幾個發(fā)色團共軛，則幾個發(fā)色團所產(chǎn)生的吸收帶將消失，代之出現(xiàn)新的共軛吸收帶，其波長將比單個發(fā)色團的吸收波長長，強度也增強。5．紅移和藍移：由于化合物結構變化（共軛、引入助色團取代基），或采用不同溶劑后

吸收峰位置向長波方向的移動，叫紅移（長移）

吸收峰位置向短波方向移動，叫藍移（紫移，短移）6．增色效應和減色效應

增色效應：吸收強度增強的效應

減色效應：吸收強度減小的效應7．強帶和弱帶：

εmax>105：強帶

εmin<103：弱帶四、吸收帶類型和影響因素1．R帶：由含雜原子的不飽和基團的n→π*躍遷產(chǎn)生C＝O，C＝N，-N＝N-λmax250~400nm，εmax<100溶劑極性↑，λmax↓2．K帶：由共軛雙鍵的π→π*躍遷產(chǎn)生—(—CH＝CH—)n—，-CH＝C-CO-λmax>200nm，εmax>104共軛體系增長，λmax↑，εmax↑溶劑極性↑，對于—(—CH＝CH—)n—λmax不變對于—CH＝C—CO—λmax↑3．B帶：由π→π*躍遷產(chǎn)生芳香族化合物的主要特征吸收帶λmax=254nm，寬帶，具有精細結構；εmax=200極性溶劑中，或苯環(huán)連有取代基，其精細結構消失4．E帶：由苯環(huán)環(huán)形共軛系統(tǒng)的π→π*躍遷產(chǎn)生芳香族化合物的特征吸收帶E1180nmεmax>104（常觀察不到）E2200nmεmax=7000強吸收苯環(huán)有發(fā)色團取代且與苯環(huán)共軛時，E2帶與K帶合并一起紅移影響吸收帶位置的因素：1．溶劑效應：對λmax影響：

n-π*躍遷：溶劑極性↑，λmax↓藍移

π-π*躍遷：溶劑極性↑，λmax↑紅移影響吸收帶位置的因素：1．溶劑效應：對吸收光譜精細結構影響：

溶劑極性↑，苯環(huán)精細結構消失2．pH值的影響：影響物質存在型體，影響吸收波長第三節(jié)基本原理一、Lamber-Beer定律二、吸光系數(shù)和吸收光譜三、偏離Beer定律的因素四、透光率的測量誤差一、Lamber-Beer定律：吸收光譜法基本定律描述物質對單色光吸收強弱與液層厚度和待測物濃度的關系假設一束平行單色光通過一個吸光物體討論：1．Lamber-Beer定律的適用條件（前提）入射光為單色光溶液是稀溶液2．該定律適用于固體、液體和氣體樣品3．在同一波長下，各組分吸光度具有加和性應用：多組分測定二、吸光系數(shù)和吸收光譜1．吸光系數(shù)的物理意義：單位濃度、單位厚度的吸光度討論：

1）E=f（組分性質，溫度，溶劑，λ）當組分性質、溫度和溶劑一定，E=f（λ）

2）不同物質在同一波長下E可能不同（選擇性吸收）同一物質在不同波長下E一定不同

3）E↑，物質對光吸收能力↑,定量測定靈敏度↑

2．吸光系數(shù)兩種表示法：

1）摩爾吸光系數(shù)ε：在一定λ下，C=1mol/L，L=1cm時的吸光度2）百分含量吸光系數(shù)k

：在一定λ下，C=1g/100ml，L=1cm時的吸光度3．吸收光譜（吸收曲線）：λ~A最大吸收最小吸收特征值→定性依據(jù)肩峰末端吸收4．吸光度測量的條件選擇：1）測量波長的選擇：λmax2）吸光度讀數(shù)范圍的選擇：3）參比溶液(空白溶液)的選擇：選A=0.2~0.8注：采用空白對比消除因溶劑和容器的吸收、光的散射和界面反射等因素對透光率的干擾三、偏離Beer定律的因素依據(jù)Beer定律，A與C關系應為經(jīng)過原點的直線偏離Beer定律的主要因素表現(xiàn)為以下兩個方面（一）光學因素（二）化學因素（一）光學因素

非單色光的影響：

Beer定律應用的重要前提——入射光為單色光照射物質的光經(jīng)單色器分光后并非真正單色光其波長寬度由入射狹縫的寬度和棱鏡或光柵的分辨率決定為了保證透過光對檢測器的響應，必須保證一定的狹縫寬度這就使分離出來的光具一定的譜帶寬度（二）化學因素Beer定律適用的另一個前提：稀溶液濃度過高會使C與A關系偏離定律第四節(jié)紫外分光光度計

1．光源：2．單色器：包括狹縫、準直鏡、色散元件棱鏡——對不同波長的光折射率不同色散元件分出光波長不等距光柵——衍射和干涉分出光波長等距鎢燈或鹵鎢燈——可見光源350~1000nm氫燈或氘燈——紫外光源200~360nm3．吸收池：玻璃——能吸收UV光，僅適用于可見光區(qū)石英——不吸收紫外光，適用于紫外和可見光區(qū)要求：匹配性（對光的吸收和反射應一致）4．檢測器：將光信號轉變?yōu)殡娦盘柕难b置5．記錄裝置：訊號處理和顯示系統(tǒng)光電池光電管光電倍增管二極管陣列檢測器類型：

1．單光束分光光度計：特點：使用時來回拉動吸收池

→移動誤差對光源要求高比色池配對2．雙光束分光光度計：

特點：不用拉動吸收池，可以減小移動誤差對光源要求不高可以自動掃描吸收光譜3．雙波長分光光度計特點：利用吸光度差值定量消除干擾和吸收池不匹配引起的誤差第五節(jié)定性和定量分析一、結構分析二、定性分析三、定量分析

紫外－可見分光光度法可以進行化合物某些基團的判別、共軛體系及構型、構象的判斷。

一、結構分析

1.某些特征基團的判別有機物的不少基團(生色團)，如羰基、苯環(huán)、硝基、共軛體系等，都有其特征的紫外或可見吸收帶，紫外－可見分光光度法在判別這些基團時，有時是十分有用的。如在270～300nm處有弱的吸收帶，且隨溶劑極性增大而發(fā)生藍移，就是羰基n－π*躍遷所產(chǎn)生R吸收帶的有力證據(jù)。在184nm附近有強吸收帶(E1帶)，在204nm附近有中強吸收帶(E2帶)，在260nm附近有弱吸收帶且有精細結構(B帶)，是苯環(huán)的特征吸收，等等?？梢詮挠嘘P資料中查找某些基團的特征吸收帶。

2.共軛體系的判斷共軛體系會產(chǎn)生很強的K吸收帶，通過繪制吸收光譜，可以判斷化合物是否存在共軛體系或共軛的程度。如果一化合物在210nm以上無強吸收帶，可以認定該化合物不存在共軛體系；若在215～250nm區(qū)域有強吸收帶，則該化合物可能有兩至三個雙鍵的共軛體系。如1－3丁二烯，為217nm，為21,000；若260～350nm區(qū)域有很強的吸收帶，則可能有三至五個雙鍵的共軛體系，如癸五烯有五個共軛雙鍵，為335nm，為118,000。

3.異構體的判斷

包括順反異構及互變異構兩種情況的判斷A.順反異構體的判斷

生色團和助色團處在同一平面上時，才產(chǎn)生最大的共軛效應。由于反式異構體的空間位阻效應小，分子的平面性較好，共軛效應強，因此，及都大于順式異構體。例如，肉桂酸順、反式的吸收如下：順式＝280nm，

=13500反式＝295nm，

=27000B.互變異構體的判斷某些有機化合物在溶液中可能有兩種以上的互變異構體處于動態(tài)平衡中，這種異構體的互變過程常伴隨有雙鍵的移動及共軛體系的變化，因此也產(chǎn)生吸收光譜的變化。最常見的是某些含氧化合物的酮式與烯醇式異構體之間的互變。例如乙酰乙酸乙酯就是酮式和烯醇式兩種互變異構體：它們的吸收特性不同：酮式異構體在近紫外光區(qū)的為272nm(為16)，是n－π*躍遷所產(chǎn)生R吸收帶。烯醇式異構體的為243nm(為16000)，是π－π*躍遷共軛體系的K吸收帶。兩種異構體的互變平衡與溶劑有密切關系。二、定性分析

紫外－可見分光光度法是一種廣泛應用的定量分析方法，也是對物質進行定性分析和結構分析的一種手段，同時還可以測定某些化合物的物理化學參數(shù)，例如摩爾質量、配合物的配合比和穩(wěn)定常數(shù)、以及酸、堿的離解常數(shù)等。

紫外－可見分光光度法在無機元素的定性分析應用方面是比較少的，無機元素的定性分析主要用原子發(fā)射光譜法或化學分析法。在有機化合物的定性分析鑒定及結構分析方面，由于紫外－可見光譜較為簡單，光譜信息少，特征性不強，而且不少簡單官能團在近紫外及可見光區(qū)沒有吸收或吸收很弱，因此，這種方法的應用有較大的局限性。但是它適用于不飽和有機化合物，尤其是共軛體系的鑒定，以此推斷未知物的骨架結構。此外，它可配合紅外光譜法、核磁共振波譜法和質譜法等常用的結構分析法進行定性鑒定和結構分析，是不失為一種有用的輔助方法。一般定性分析方法有如下兩種：1.比較吸收光譜曲線法2.計算不飽和有機化合物最大吸收波長的經(jīng)驗規(guī)則

1.比較吸收光譜曲線法有標準物質比較法和標準譜圖比較法兩種

A.利用標準物質比較在相同的測量條件下，測定和比較未知物與已知標準物的吸收光譜曲線，如果兩者的光譜完全一致，則可以初步認為它們是同一化合物。為了能使分析更準確可靠，要注意如下幾點：

一是盡量保持光譜的精細結構。為此，應采用與吸收物質作用力小的非極性溶劑，且采用窄的光譜通帶；二是吸收光譜采用lgA對λ作圖。這樣如果未知物與標準物的濃度不同，則曲線只是沿軸平移，而不是像曲線那樣以的比例移動，更便于比較分析。

三是往往還需要用其它方法進行證實，如紅外光譜等。B.利用標準譜圖或光譜數(shù)據(jù)比較常用的標準譜圖有以下的四種：

[1]SadtlerStandardSpectra(Ultraviolet),Heyden,London,1978.薩特勒標準圖譜共收集了46000種化合物的紫外光譜。[2]R.A.FriedelandM.Orchin,“UltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofAromaticCompounds”,Wiley,NewYork,1951.本書收集了597種芳香化合物的紫外光譜。[3]KenzoHirayama：“HandbookofUltravioletandVisibleAbsorptionSpectraofOrganicCompounds.”,NewYork,Plenum,1967。[4]“OrganicElectronicSpectralData”，JohnWileyandSons，1946～（這是一套由許多作者共同編寫的大型手冊性叢書，所收集的文獻資料由1946年開始，目前還在繼續(xù)編寫）。

2.計算不飽和有機化合物

最大吸收波長的經(jīng)驗規(guī)則有伍德沃德（Woodward）規(guī)則和斯科特（Scott）規(guī)則

當采用其它物理或化學方法推測未知化合物有幾種可能結構后，可用經(jīng)驗規(guī)則計算它們最大吸收波長，然后再與實測值進行比較，以確認物質的結構。

A.伍德沃德規(guī)則它是計算共軛二烯、多烯烴及共軛烯酮類化合物π—π*躍遷最大吸收波長的經(jīng)驗規(guī)則，如表1和表2所示。計算時，先從未知物的母體對照表得到一個最大吸收的基數(shù)，然后對連接在母體中π電子體系(即共軛體系)上的各種取代基以及其他結構因素按表上所列的數(shù)值加以修正，得到該化合物的最大吸收波長。

例:幾種雙(多)烯化合物的計算

例1解:基值217nm同環(huán)二烯36nm環(huán)外雙鍵5nm烷基取代基(4×5)20nm共軛系統(tǒng)的延長30nm308nm

例2

解:基值217nm同環(huán)系統(tǒng)36nm烷基取代基(3×5)15nm取代基()0環(huán)外雙鍵5nm共軛系統(tǒng)的延長(1×30)30nm

303nm例3解:基值217nm烷基取代(5×5)25nm共軛系統(tǒng)的延長(1×30)30nm環(huán)外雙鍵(2×5)10nm

282nm

例4解:基值217nm烷基取代(4×5)20nm環(huán)外雙鍵(2×5)10nm

247nm例5

解:基值217nm同環(huán)二烯36nm烷基取代(5×5)25nmOR取代基(?；?0共軛系統(tǒng)的延長(2×30)60nm環(huán)外雙鍵(3×5)15nm

353nm應注意a.僅僅考慮共軛系統(tǒng)中碳上聯(lián)接的烷基取代。b.環(huán)外雙鍵是共軛系統(tǒng)中的雙鍵；在環(huán)外且與環(huán)直接相連的雙鍵。

幾種不飽和羰基化合物的計算匯例

例6計算，并指出在不飽和酮分子中的那個位置有取代基？解: